近端股骨的非均匀及各向异性有限元模拟.pdf

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1、2004年2月重庆大学学报Feb.2004第27卷第2期JOurnaIOfChOnggingUniversityVOI.27NO.2文章编号：1000-582X（2004）02-0020-04＊近端股骨的非均匀及各向异性有限元模拟罗承刚，龚宪生（重庆大学机械工程学院机械传动国家重点实验室，重庆400030）摘要：为解决植入假体存在的松动和下沉等并发症，适应个性化内置假体快速自动设计和制造的要求，提出一种在定制型人工髋关节股骨内置假体设计过程中，基于医用CT和CAD技术，利用有限元力学分析建立近端股骨各向异性力学模型的新方法。该方法利用CT原始图像数据、结

2、合自主开发软件，使股骨三维模型具有原股骨的各向异性与非均匀性，建立近端股骨接近真实股骨力学性能的三维有限元模型，为真实地模拟和分析近端股骨的结构和材料力学性能，更精确地测定股骨在生理载荷下的应力应变与植入假体后的响应，为定制型人工股骨假体设计提供了生物力学基础，实现人工股骨假体的优化设计创造了很好的条件。关键词：有限元；股骨；各向异性；非均匀性中图分类号：R687.3；TP319文献标识码：A目前，用人工制造的髋关节股骨假体替代天然关真实地模拟和分析近端股骨的结构和材料力学性能，节对于人体髋关节退化性关节炎的治疗是卓有成效为更精确地测定股骨在生理载荷下的

3、应力应变与植入的。但是髋关节股骨假体植入技术目前还存在不少问假体后的响应，实现人工股骨假体的优化设计创造了题。主要问题之一是植入的假体存在远期松动和下沉很好的条件。等并发症。一般认为，是应力遮挡和磨损碎屑引起骨质疏松及骨皮质变薄，从而导致假体松动!手术失败。1材料与方法应力遮挡是由于股骨假体插入股骨髓腔，改变了股骨1.1近端股骨表观密度非均匀分布的模拟近端的正常应力分布，根据WOIff定律，异常应力会导在本文的前期工作中，笔者基于医学数字图像通致骨组织的自我调节和骨重建。因此对人工股骨假体讯标准DICOM3.0，螺旋CT和CAD技术，建立患者的结构进行优

4、化设计，满足与个体髓腔的最佳匹配，更好地符合人体内部的生物力学特性，有助于消除对股个体髋关节和股骨精确几何模型，通过I-DEAS对此骨正常应力的破坏，减少应力遮挡。实体模型网格化，单元为10节点四面体等参单元，如人工髋关节置换的生物力学很复杂。股骨在生理图1所示，共42983个单元，68031个节点。将以DI-载荷下的应力应变与植入假体后的响应，通常的实验COM格式存储的，大小为512>512>33的个体股骨手段难以精确地测定。通过计算机模拟，建立更接近CT图像数据和有限元网格模型输入到自主开发的转于正常近端股骨生物力学形态的有限元模型，对于人换程序。程

5、序首先读入每一个有限元网格节点坐标pi工股骨假体的优化设计，减少假体植入后的异常应力［1-4］（xi，yi，zi）（i=0，⋯，68031），判定其在512>512>33无疑具有特别重要的意义。三维CT采样点空间阵列中的位置。由于这些规则分股骨的组织结构包括皮质骨和松质骨，而皮质骨布的采样点，类似8节点六面体单元的节点，基于采样和松质骨均属各向异性材料。目前，绝大多数的近端股骨有限元模型采用均质各向同性材料，不能很好地点处的CT值g（l，m，r）（l=m=512，r=33），利用解释股骨近端真实的结构和材料力学性能。笔者利用插值函数式大型有限元软件I-D

6、EAS，结合自主开发的转换程序，l（ixi，yi，zi）=ZN（jx，y，z）g（l，m，r）（1）建立与骨表观密度分布及载荷方向相关的力学模型，k=1＊收稿日期：2003-09-21基金项目：国家留学回国人员科研基金资助项目（2001345）作者简介：罗承刚（1975-），男，四川德阳人，硕士研究生，主要从事内置假体设计理论与技术的研究。第27卷第2期罗承刚等：近端股骨的非均匀及各向异性有限元模拟21可得四面体单元节点处的CT值h（ixi，yi，zi）。其中EXYGXY=（7）CT值g（l，m，I）由图像的灰度值转换而来。N为8节2（1+$XY）点六面

7、体单元的形函数。然后按照常规的有限元形函$ZX$XZ=（8）数插值，由单元变换式EZEXY10Z轴在股骨干取垂直于断层切片的扫描轴线，而在股h（x，y，z）=ZN（Kr，S，t）h（ixi，yi，zi）（2）I=1骨颈则取垂直于截骨面的轴线，xoy平面垂直于Z轴。得四面体单元内任一点的CT值h（x，y，z）。NI为10Carter等［7（］1977）通过大量的拉伸和压缩实验节点四面体等参单元的形函数，（r，S，t）为等参单元的后，认为所有骨（密质骨和松质骨）表观密度和弹性模局部坐标。最后由式量成幂次换算关系：0.063jVh（x，y，z）cVjVh（x，

8、y，z）cet（r，S，t）cV'E=3790"!h==［4］e在这里转换程序采